گام ششم ـ تعیین مقدار نهایی مشخصه‌های حفاظتی که برق‌گیر باید فراهم نماید

در آخرین گام با استفاده از نتایج مراحل قبلی سطوح حفاظتی مورد نیازي که برق‌گیر باید فراهم نمایـد مشـخص می‌گردد. ایـن سطوح به‌صورت زیر تعیین می‌شوند:

U PL £ Ures - (Vind · d)

UPS £SIPL سطح حفاظتی برق‌گیر در برابر موج ضربه صاعقه سطح حفاظتی برق‌گیر در مقابل موج ضربه کلید زنی (تجهیز) (12-2)

 (13-2)

d : طول کل هادی‌های اتصال برق‌گیر برحسب متر می‌باشد.

سطح حفاظتی یک برق‌گیر در برابر امواج صاعقه با ماکزیمم یکی از دو مقدار زیر مشخص می‌گردد:

- ولتاژ تخلیه برق‌گیر به ازاي موج با شیب تند تقسیم بر 15/1 (موج μsec 20/1 با دامنه‌ای برابر با جریان تخلیه نامی برق‌گیر).

- ولتاژ نامی برق‌گیر به ازاي موج جریان صاعقه (موج μs 20/8 با دامنه‌ای برابر با جریان تخلیه نامی برق‌گیر).

محاسبه دقیق جریان تخلیه برق‌گیر در مورد امواج صاعقه دشوار است. به همین دلیل سـعی می‌شود جریـان تخلیـه برق‌گیر در سیستم‌های مختلف برآورد شود. به علت تغییرات نسبتاً کوچک ولتاژ تخلیه در برابر دامنه و شکل موج جریـان در برق‌گیرهایZnO این تخمین خطاي زیادي ایجاد نخواهد کرد.

براي سطوح ولتاژي موردنظر این نشریه، ولتاژ باقی مانده برق‌گیر در جریان تخلیـه 10 کیلو آمپر جهـت اسـتخراج مشخصه‌های برق‌گیر استفاده می‌گردد. لذا مقدارUPL در رابطه 12-2() عبارت است از ولتاژ باقی مانـده برق‌گیر در ازاي مـوج جریـان صـاعقهμs

20/8 با دامنه 10 کیلو آمپر.

با کاهش زمان پیشانی موج جریان صاعقه ولتاژ تخلیه برق‌گیر افزایش می‌یابد. پـس در صـورت لـزوم می‌توان بـا اسـتفاده از کاتالوگ‌های برق‌گیر (که یک نمونه آن در شکل 7-2() نشان داده شده است) اثر کاهش زمان پیشانی موج جریان صاعقه بر روي ولتاژ باقی مانده در برق‌گیر مورد بررسی قرار گیرد.

شکل 2-7: تغییر ولتاژ تخلیه برق‌گیر در اثر تغییر زمان پیشانی موج جریان صاعقه

سطح حفاظتی برق‌گیر در برابر موج ضربه کلید زنی (Ups) عبارت است از ولتـاژ تخلیـه برق‌گیر بـه ازاي مـوج جریـان کلید زنی استاندارد (موجμsec 80/30). دامنه موج جریان کلید زنی به ولتاژ شبکه بستگی دارد. مقادیر پیشنهادي براي امواج جریان کلید زنی در جدول 2-2() داده شده‌اند. در استخراج Ups برق‌گیر از مقادیر پیشنهادي جدول زیر استفاده می‌شود.

جدول 2-2: مقادیر پیشنهادي براي پیک موج جریان کلید زنی

پیک موج جریان کلید زنی

 [A] حداکثر ولتاژ سیستم

 Um [kV]

 500 72/5-145

 1000 245

 2000 420

این مشخصات به‌صورت نمونه‌ای و کمی آورده شده است و جهت انتخاب دقیق برق‌گیر حتماً می‌بایستی از کاتالوگ‌های سازنده استفاده نمود.

جدول 2-3: مقادیر نوعی مشخصه‌های برق‌گیرهای MOA براي سطوح ولتاژي ایران

سطح حفاظتی برق‌گیر در برابر موج

ضربه صاعقه ((UPL به ازاي In با

دامنه 10 کیلو آمپر

 (kVpeak) سطح حفاظتی برق‌گیر در برابر موج ضربه کلید زنی Ups))

 (kVpeak) ولتاژ نامی برق‌گیر

 UR [kV] حداکثر ولتاژ سیستم

U

 m [kV]

کلاس

تخلیه 500A 1000A 2000A

 144-224 2 112-174 116-181 ــــ 54-84 72/5

 130-202 3 106-164 108-168 112-174

 125-194 4 ــــ 106-164 110-170

 288-384 2 224-298 232-310 ــــ 108-144 145

 260-346 3 211-281 216-287 224-298

 249-332 4 ــــ 210-280 217-290

 238-317 5 ــــ 207-276 214-273

 474-600 2 368-465 382-483 ــــ

 432-548 3 351-445 358-454 372-472

180-228 245

 414-525 4 ــــ 351-444 362-459

 396-502 5 ــــ 345-437 356-451

 795-1002 3 ــــ 651-831 675-857 330-420 420

 759-966 4 ــــ 642-817 664-845

 726-924 5 ــــ 632-804 652-830

2-2-4- انتخاب اولیه براي حداقل کلاس تخلیه

براي انتخاب کلاس تخلیه برق‌گیر، اطلاع از جریان تخلیه نامی برقگیرIn میتواند مفید واقع شود. بر اساس جریـان تخلیـه نـامیIn و حداکثر ولتاژ سیستم، حداقل کلاس تخلیه مورد نیاز را می‌توان بر اساس جدول (2-4) انتخاب کرد. در صورتی که کلاس تخلیـهانتخابی سطوح حفاظتی مورد نیاز را برآورده نسازد، کلاس بالاتري می‌بایستی انتخاب گردد. چنانچه امکان کاهش فاصله برق‌گیر تـاتجهیز مورد حفاظت وجود داشته باشد می‌توان با استفاده از رابطه (2-9)، دامنه ولتاژ ظاهر شده در پایانه‌های تجهیز مورد حفاظـت راکاهش داد و در نتیجه به همان مقدار، امکان استفاده از برق‌گیری با UpL بزرگ‌تر فراهم می‌شود که این امر می‌تواند منجر به پرهیز از انتخاب کلاس تخلیه بالاتر شود. موارد دیگري از قبیل بهبود سیستم حفاظت از صاعقه پست و خطوط ورودي به آن، کاهش مقاومت سیستم زمین پست و پاي برجها، استفاده از زاویه حفاظت از صاعقه کوچک‌تر در دکلهاي ورودي به پست و غیره می‌توانـد بـه نحـويباعث کاهش اثر انعکاس امواج ورودي به پست، کاهش شیب موج ورودي و در نتیجه کاهش ولتاژ ظاهر شده در پایانه تجهیز گردد ودر نهایت در انتخاب کلاس تخلیه برق‌گیر اثر گذارند. البته بدیهی است که این امر مستلزم توافقی مابین هزینه‌های پرداختـی بـرايافزایش سیستم حفاظت پست در مقابل صاعقه و هزینه انتخاب کلاسهاي بالاتر براي برق‌گیرهای پست می‌باشد که در سـطوح ولتـاژبالا اهمیت فراوانی پیدا می‌کنند.

جدول 2-4: مقادیر پیشنهادي براي انتخاب اولیه حداقل کلاس تخلیه خط

حداقل کلاس تخلیه جریان تخلیه نامی IN

 [kA] ماکزیمم ولتاژ سیستم Um

 [kV]

 2 10 72/5

 2 10 145

 2 10 245

 3 10-20 420

کلاس هاي تخلیه در سطح و36 132 کیلوولت معمولاً 2، در سطح ولتاژ 230 معمولاً 3 و در سطح ولتاژ 400 معمولاً 4 است.

2-2-5- محاسبه ظرفیت جذب انرژي ویژه برق‌گیر¢0W

 براي کلاس انتخابی

کلاس تخلیه انتخاب شده برق‌گیر، در صورتی مورد قبول خواهد بود که ظرفیت جذب انرژي ویژه برق‌گیر از ظرفیت جذب انـرژيویژه‌ای که استانداردIEC مشخص نموده است کوچک‌تر باشد. ظرفیت جذب انرژي ویژه‌ای که مـورد تأییـد اسـتانداردIEC اسـت رامی‌توان با استفاده از شکل 8-2() و با اطلاع از ولتاژ نامی و سطح حفاظتی برق‌گیر در برابر موج ضربه کلید زنی برق‌گیر استخراج نمود.

براي این منظور با مراجعه به کاتالوگ‌های برق‌گیر و با استفاده از دامنه موج ضربه کلید زنی مطابق جدول 2-2() و مقدار ولتاژ نامیبرقگیر، مقدار ولتاژ باقی مانده برق‌گیر (سطح حفاظتی برق‌گیر) در برابر موج ضربه کلید زنی استخراج می‌گردد (در این مرحله می‌توان ازاطلاعات نوعی ارائه شده در جدول 3-2 نیز استفاده نمود). سپس با استفاده از ایـن کمیـات و منحنـیهـ اي شـکل 8-2() و کـلاسانتخابی، میزان ظرفیت جذب انرژي ویژه برق‌گیر (0΄W) محاسبه خواهد شد.

منحنی هاي شکل 8-2() به ازاي پارامترهاي سیستم مشخصی رسم شده‌اند. این پارامترهـا توسـط اسـتانداردIEC بـراي انجـامآزمونهاي تخلیه خط استفاده گردیده اند.

شکل 2-8: انرژي ویژه برحسب کیلوژول بر کیلوولت ولتاژ نامی بر مبناي نسبت ولتاژ باقیمانده موج ضربه کلید زنی ((Ups به مقدار مؤثر ولتاژ نامی برق‌گیر (UR)

2-2-6- انتخاب نهایی کلاس تخلیه برق‌گیر

از آنجایی که سیستم واقعی که برق‌گیر قرار است براي آن طراحی گردد، ممکن است داراي پارامترهـایی متفـاوت از پارامترهـايسیستم موردنظر IEC باشد، ضروري است که میزان جذب انرژي ویژه برق‌گیر در سیستم واقعی مورد بررسی قرار گیرد.

براي اینکار می‌توان از مدل ساده شکل (2-9) جهت تخمین تنش‌های وارده بر برق‌گیر هنگـام کلید زنی و تخلیـه بـار الکتریکـیباقی مانده بر روي خطوط متصله به برق‌گیر استفاده نمود.

شکل 2-9: یک مدل ساده تکفاز جهت برآورد تقریبی از ظرفیت جذب انرژي ویژه برق‌گیر

از آنجایی که بدترین شرایط ممکنه موردنظر است، حداکثر ولتاژ قابل پیش بینی در سیستم را جهت برآورد ظرفیـت جـذب انـرژيویژه برق‌گیر مورد استفاده قرار می دهیم. براین اساس انرژي جذب شده توسط برق‌گیر برابر است با:

W = [(U L - U PS)/ Z0 ]· U PS · 2T · n (14-2)

در این رابطه:

UL : حداکثر اضافه ولتاژ پیش بینی شده در اثر کلید زنی یا ولتاژ شارژ خط برحسب کیلوولت

UPS : سطح حفاظتی برق‌گیر در برابر موج ضربه کلید زنی برحسب کیلوولت Z0 = L: امپدانس موجی خط انتقال هوایی برحسب اهم

C

T : زمان سیر موج در خط انتقال، که مقدار آن را می‌توان از رابطه T= L به دست آورد کـه در آنL طـول خـط انتقـال بـر حسـب

V

کیلومتر و V سرعت انتشار امواج الکترومغناطیسی برحسب km/μs می‌باشد.

n : تعداد تخلیه‌های متوالی را که در آزمون تخلیه استانداردIEC جهت بررسی پایداري حرارتی برق‌گیر استفاده می‌گردد، مشـخصمی‌کند. جهت انجام این آزمون 2 تخلیه متوالی با فاصله زمانی 50 الی 60 ثانیه استفاده می‌گردد. در عمـل احتمـال وقـوع دو تخلیـهمتوالی خیلی کم می‌باشد و معمولاً در طراحی ها این مقدار برابر با یک در نظر گرفته می‌شود.

همچنین انرژي ناشی از صاعقه از رابطه زیر قابل محاسبه است:

W = ŒºØ2Uf - NUPl (1+ln(2UUPlf))øœß U TZPl 0 1 ()2-51:که در آن

U Pl: سطح حفاظت برق‌گیر در برابر موج ضربه صاعقه

U f: ولتاژ جرقه منفی عایق خط N: تعداد خطوط متصل به پست

1T: مدت زمان معادل جریان صاعقه شامل اولین ضربه و ضربههاي بعدي کـه مقـدار آن به‌صورت نـوعی برابـر 4-01 × 3 ثانیـهمی‌باشد.

در صورتی که اطلاعات سیستم موردنظر (oZ وUL) در دسترس نباشد می‌توان از مقادیر پیشـنهادي کـه در جـدول (2-5) ارائـهگردید هاند استفاده نمود. علاوه بر این جدول، با داشتن اطلاعات مختصري از وضعیت سیستم مورد مطالعه می‌توان از شـکل (2-10) حداکثر ولتاژ ظاهر شده در سیستم را به‌طور دقیقتري به دست آورد.

جدول 2-5: مقادیر پیشنهادي 0Z و UL براي سطوح ولتاژي مختلف

اضافه ولتاژ پی شبینی شده در غیاب برق‌گیر UL (پریونیت) امپدانس موجی

 Z0[Ω] حداکثر ولتاژ سیستم

 Um[kV]

 3/0 450 <145

 3/0 400 145-345

 2/6 350 362-525

شکل 2-01: فاکتور ارزیابی حداکثر ولتاژ ظاهر شده در سیستم بر اساس مشخصات سیستم

U L = K t ·[KV ]

پس از اینکه ظرفیت جذب انرژي برق‌گیر از رابطه (2-14) تعیین گردید با استفاده از رابطه زیر مقدار ظرفیت جـذب انـرژي ویـژهبرقگیر (΄W) در سیستم واقعی محاسبه می‌گردد.

W¢ =  UWR (16-2)

در این رابطه:

΄W : ظرفیت جذب انرژي ویژه برق‌گیر در سیستم واقعی برحسب (kJ/kV(UR.

W : ظرفیت جذب انرژي برق‌گیر در سیستم واقعی برحسب kJ.

UR : ولتاژ نامی برق‌گیر برحسب kV می‌باشد.

پــس از اینکــه ΄W محاســبه گردیــد بایــد ایــن مقــدار بــا مقــدار ΄0 W کــه قــبلاً تعیــین گردیــد مقایســه گــردد. اگــر

΄0W΄< W باشد، برق‌گیر انتخابی مناسب بوده و آخرین کلاس انتخابی به‌عنوان کلاس تخلیه خـط در نظر گرفتـه شـده و مراحـلبعدي انتخاب پارامترهاي برق‌گیر دنبال می‌گردد.

در صورتی که ΄0W΄> W باشد به این مفهوم است که برق‌گیر انتخابی قادر به جذب انـرژي تخلیـه مـورد نیـاز بـه ازاي مشخصـاتسیستم واقعی نمی‌باشد. در صورت بروز چنین حالتی به‌صورت زیر عمل می‌کنیم:

ـ برق‌گیری با همان کلاس تخلیه اما با ولتاژ نامی بزرگ‌تر انتخاب می‌کنیم. براي انتخاب ولتاژ نامی بزرگ‌تر می‌توان از پل ههاي ولتـاژيمطابق جدول 2-1() استفاده کرد.

ـ سطوح حفاظتی فراهم شده توسط برق‌گیر باUR جدید را (به ازاي جریان صـا عقه 10 کیلو آمپر و جریـان کلید زنی مطـابق جـدول

 2-2() از کاتالوگ‌های برق‌گیر مورد نظر یا به‌طور تقریبی از جدول 3-2() استخراج می‌کنیم.

ـ چنانچه سطوح حفاظتی فراهم شده به ازايUR جدید در معادلات (2-12) و (2-13) صدق کنند (یعنی سطوح حفاظتی فراهم شدهجدید قابل قبول باشند) به ابتداي بخش 5-2-2() رفته و محاسبات را از این بخش مجدداً ادامه می دهیم.

ـ چنانچه سطوح حفاظتی فراهم شده به ازايUR جدید قابل قبول نباشند به ایـن معنـی کـه حـداقل یکـی از معـادلات (2-12) یـا (2-13) برآورده نشده باشند، آنگاه آخرین کلاس انتخابی را افزایش می دهیم و ولتاژ نامی که آخـرین بـار در بخـش 5-2-2() مـورداستفاده قرار گرفته است، انتخاب نموده و مراحل را دوباره از ابتداي بخش 5-2-2() دنبال می‌کنیم. (به فلوچارت شکل2-1 مراجعـهنمایید).

2-2-7- تعیین ظرفیت سوپاپ اطمینان برق‌گیر

جهت حفاظت تجهیزات و پرسنل مجاور یک برق‌گیر در برابر انفجار ناگهانی محفظه آن، بر طبق استاندارد می‌بایستی برق‌گیرها به سیستم سوپاپ اطمینان مجهز باشند. در وضعیت حاد، سیستم سوپاپ اطمینان با سرعت کافی وارد عمل شده و با انتقال گازهاي داغو یونیزه به خارج محفظه برق‌گیر، مانع انفجار شدید آن می‌شود. سوپاپ اطمینان علاوه بر آنکه باید مانع انفجار برق‌گیر در جریانهـاياتصالی زیاد گردد، باید قابلیت اطمینان خود را براي جریان‌های اتصالی کم نیز اثبات نماید. کلاس یا ظرفیت سوپاپ اطمینـان برقگیـربراساس جریان اتصال کوتاه متقارن در محل نصب برق‌گیر، تعیین می‌گردد. براي این منظور از رابطه زیر استفاده می‌گردد:

I = PK (17-2)

3U

m

در این رابطه:

I : جریان اتصال کوتاه متقارن [kA].

PK : قدرت اتصال کوتاه در محل نصب برق‌گیر [MVA].

Um : حداکثر ولتاژ سیستم برحسب [kV].

طبق استانداردIEC این جریان حداقل به مدت 2/0 ثانیه باید استمرار یابد. چنانچه قدرت اتصال کوتـاه در محـل معلـوم نباشـد، می‌توان از قدرت قطع کلیدها به‌عنوان راهنما استفاده نمود.

براي اطلاع از نحوه عملکرد سوپاپ اطمینان به پیوست 5-2() مراجعه نمایید.

2-2-8- تعیین استقامت عایقی محفظه برق‌گیر

افت ولتاژ در هادی‌های برق‌گیر و انعکاس امواج، تأثیري بر روي تنش‌های ظاهر شده بر روي محفظه برق‌گیر ندارند. لذا تنش ولتاژي که به محفظه برق‌گیر وارد می‌شود هیچگاه از سطح حفاظتی برق‌گیر بالاتر نخواهد رفت، با توجه به این موضـوع تنهـا دلایـل موجـهبراي افزایش استقامت الکتریکی محفظه برق‌گیر، ضریب شرایط محیطی می‌باشد. جدول 6-2() حاوي اطلاعات لازم بـراي محاسـبهاستقامت عایقی محفظه برق‌گیر است. براي ارتفاعات بالاتر از 1000 متر میبایستی از ضریب تصحیح ارتفاع استفاده نمود کـه نحـوهمحاسبه آن در پیوست 4-2() آمده است.

 جدول 2-6: استقامت عایقی محفظه برق‌گیر

براي ارتفاعهاي کمتر از m0001 استقامت الکتریکی

U

 R < 200kV U

 R ‡ 200kV

1.06

   · Ups:In =10,20kA سطح استقامت عایقی در برابر

فاقد کاربرد است ولتاژ با فرکانس قدرت

 (PFWL)

0.88

   · Ups:I n = 5kA

فاقد کاربرد است 1.25×Ups SIWL

 1.3×Upl 1.3×Upl LIWL